基于FLAC—2D對(duì)基坑復(fù)合土釘支護(hù)中的數(shù)值模擬分析

高鳳懷+付連安+張志豪

【摘要】針對(duì)16 m深基坑工程的所采用的超前微型樁+錨索的復(fù)合土釘支護(hù)方案為例，采用FLAC—2D程序，選用理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，模擬了基坑開挖與支護(hù)的過程，并對(duì)復(fù)合土釘與普通土釘兩種支方案護(hù)的進(jìn)行了比較。計(jì)算分析表明該復(fù)合土釘支護(hù)方案能有效地控制基坑變形，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)際工程中采用超前微型樁+錨索的復(fù)合土釘支護(hù)方案是技術(shù)可行的，同時(shí)表明數(shù)值模擬結(jié)果是合理的。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合土釘；超前微型樁；預(yù)應(yīng)力錨索；數(shù)值模擬

【Abstract】Pointed to 16 m in deep foundation pit engineering of composite soil nailing with the advanced micro-pile and anchor support scheme， ，F(xiàn)LAC-2D method with elastic-plastic Mohr-Coulomb yield criterion is applied to simulat the excavation and supporting of foundation pit， and comparisons of displacement cures in composite soil nailing with soil nailing . Calculation and analysis show that the composite soil nailing support scheme can effectively control the deformation of foundation pit，. Comparisons with the field monitoring results confirm the composite soil nail scheme and the behavior analyzed by FLAC-2D.

【Key words】Composite soil nail；Advanced micro-pile；Pre-stressed anchor wire；Numerical simulation

1. 前言

隨著高層建筑和地下空間的利用和發(fā)展，我國的深基坑工程日益增多，而且工程規(guī)模和技術(shù)要求的難度越來越大，傳統(tǒng)的土釘支護(hù)方法由于其局限性已不能滿足當(dāng)前發(fā)展的需要。復(fù)合土釘支護(hù)作為對(duì)傳統(tǒng)土釘技術(shù)的繼承和發(fā)展，是一種新型、靈活多變、適用范圍更廣的巖土組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，它克服了傳統(tǒng)土釘?shù)脑S多局限性，具有廣闊的發(fā)展前景。但是目前國內(nèi)外對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)的研究無論在理論分析設(shè)計(jì)還是在工程實(shí)踐方面都還不夠成熟與完善，對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)的作用機(jī)理、穩(wěn)定性分析的研究尚處于初級(jí)階段。

本文采用FLAC—2D數(shù)值模擬，對(duì)基坑的復(fù)合土釘與普通土釘?shù)膬煞N支護(hù)方案的位移和應(yīng)力分布情況進(jìn)行探討和分析，對(duì)工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

2. 工程概況

21某基坑工程，主樓高35層，4層地下室，開挖設(shè)計(jì)深度16.0 m。基坑南側(cè)有高壓電纜箱涵及煤氣管道平行通過，高壓電纜箱涵埋深4 m，寬度約為2 m，緊臨基坑，煤氣管道位于箱涵外側(cè)，埋深1.5 m，基坑邊線距公路4 m。

2.2擬建場(chǎng)地原始地貌為殘丘坡地，第四系覆蓋層有填土、粉質(zhì)黏土及殘積礫質(zhì)黏性土，基底為燕山晚期不同風(fēng)化程度的花崗巖。場(chǎng)地各土層分布極不均勻，變化起伏很大，基巖埋深10～18 m。

2.3場(chǎng)地地下水有兩種類型：（1）上層滯水，主要賦存于雜填土層的孔隙中，水量一般不大；（2）潛水-承壓水，賦存于殘積礫質(zhì)黏性土中和風(fēng)化基巖裂隙中。勘察期間地下水位為2 m。

3. 基坑支護(hù)方案

基坑深16m，地面均布超載10 KN/m2，采用微型樁+預(yù)應(yīng)力錨索的復(fù)合土釘支護(hù)方案。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

（1）土釘孔徑100 mm，采用25mmⅡ 級(jí)螺紋鋼，傾角15°。

（2）鋼管樁130 mm，間距為0.33 m，樁長16.5 m，樁頂設(shè)300 mm×300 mm冠梁。

（3）錨索采用2X75鋼絞線，fptk=1860 N/mm2，每排錨索設(shè)一道20號(hào)槽鋼作為腰梁。

（4）坡面布設(shè)8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴射C20厚20 cm混凝土。基坑工程典型剖面圖和復(fù)合土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)分別見圖1和表1。

4. 數(shù)值模擬

4.1模型的建立。

將基坑巖土體均視為均質(zhì)體，將計(jì)算區(qū)域劃分為若干四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變等參單元，選用理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。根據(jù)基坑的對(duì)稱性取基坑中線一側(cè)的區(qū)域作為計(jì)算域，計(jì)算域?yàn)殚L60 m，高20 m共分為60X40=2400個(gè)單元。模型的左邊界和右邊界為單向約束邊界，模型的底邊界作為荷載邊界，其中側(cè)邊限制在水平方向上的位移，底邊界則限制兩個(gè)方向的位移。

4.2計(jì)算參數(shù)的選取。

分析中把土釘支護(hù)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，則土釘實(shí)際被等效為單位寬度的薄層；土釘和錨索采用cable單元來模擬，面層采用beam單元；將微型樁和砼面層作為整體等效為噴砼材料的連續(xù)墻體，并按照抗彎剛度相等的原則確定。場(chǎng)地巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

4.3基坑分步開挖。

FLAC程序采用空單元模擬開挖土體，在每次開挖后自動(dòng)生成等效釋放荷載。基坑底部及邊壁土體在開挖時(shí)的力學(xué)狀態(tài)變化，視為原始應(yīng)力場(chǎng)由土體開挖而應(yīng)力釋放所引起的。根據(jù)分步施工工藝，將開挖和支護(hù)深度作為本步模擬的計(jì)算深度，整個(gè)工程可分為8個(gè)工序，每步開挖深度為2 m。

5. 數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1水平位移（土釘支護(hù)水平位移等值線圖見圖3，復(fù)合土釘支護(hù)水平位移等值線圖見圖4，水平位移深度曲線見圖5）。endprint

基坑未開挖前，土體在自重應(yīng)力及周邊載荷的長期作用下已處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，模擬開挖時(shí)，視其運(yùn)動(dòng)速度、水平方向和垂直方向位移為零。即在施加完土體自重應(yīng)力后，認(rèn)為此時(shí)土體是穩(wěn)定的。

由圖可見，復(fù)合土釘比傳統(tǒng)土釘支護(hù)基坑邊壁水平位移小很多。基坑頂部的水平位移在施加預(yù)應(yīng)力錨索后明顯減小，頂部位移值由35mm降低至11mm，基坑邊壁最大水平位移值由45 mm降低至12.7 mm，從而符合設(shè)計(jì)要求。兩種類型的土釘支護(hù)的坑壁最大水平位移均位于中下部，與一般認(rèn)為的土釘支護(hù)的最大位移在基坑頂部有所不同。當(dāng)基坑開挖深度較深時(shí)，宜設(shè)置多排預(yù)應(yīng)力錨桿。

5.2垂直位移（見圖6、圖7、圖8）。

由圖可見，基坑頂部的豎向位移在施加預(yù)應(yīng)力錨索及超前微型后明顯減小，頂部位移值由樁22mm降低至6mm，基坑邊壁最大位移值由25 mm降低至7 mm，位移明顯降低。

（1）在基坑開挖與支護(hù)過程中，兩種方案基坑底部都有明顯回彈，其最大回彈部位發(fā)生在基坑中部，且基坑底部有隆起的趨勢(shì)。

（2）基坑坡頂?shù)牡孛娉两笛仉x開邊壁距離呈曲線分布，隨著離開坡面的距離的增加而呈先增加而逐漸減小的形勢(shì)；隨著基坑開挖時(shí)步的進(jìn)行，基坑頂面都有一定的沉降增量，坡頂呈現(xiàn)先隆起而后沉降的趨勢(shì)，并且沉降增量的最大值的位置有向外移動(dòng)的趨勢(shì)。

5.3土體剪應(yīng)力（見圖9、圖10）。

由圖可見，在預(yù)應(yīng)力錨索作用處及坡腳處有剪應(yīng)力集中區(qū)，其中，坡腳處的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，由圖9知傳統(tǒng)土釘支護(hù)坡腳處的土體已處于屈服狀態(tài)，因此，基坑的坡腳處是破壞的危險(xiǎn)區(qū)域，在支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中，嚴(yán)禁基坑的超挖，設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)坡角的設(shè)計(jì)。

5.4土體塑性區(qū)分布（見圖11、圖12）。

由圖知，普通土釘支護(hù)的坡腳處的土體已處于屈服狀態(tài)，并且在支護(hù)土體內(nèi)部產(chǎn)生了較大的塑性屈服區(qū)，塑性屈服區(qū)與坡頂和坡角的拉應(yīng)力區(qū)相連通，說明此時(shí)基坑已經(jīng)處于破壞狀態(tài)，而復(fù)合支護(hù)方案基坑土體塑性屈服點(diǎn)較少，以上說明預(yù)應(yīng)力錨索可以控制土體塑性區(qū)的發(fā)展，使得邊坡有更大的安全儲(chǔ)備，確保基坑的安全。

6. 結(jié)語

6.1通過FLAC-2D模擬基坑開挖與支護(hù)的施工過程，采用微型鋼管樁+預(yù)應(yīng)力錨索的復(fù)合土釘支護(hù)比普通土釘支護(hù)具有明顯的優(yōu)越性，確保了支護(hù)工程的安全與經(jīng)濟(jì)并重的設(shè)計(jì)原則。

6.2基坑水平位移隨著開挖深度的增加呈先增大而逐漸減小的趨勢(shì)，并且兩種支護(hù)方案的最大位移均發(fā)生在中下部，當(dāng)基坑開挖深度較大時(shí)，復(fù)合加固部分發(fā)揮了明顯的作用，有效地控制了基坑變形的發(fā)展。

6.3基坑地面沉降沿邊壁呈曲線分布，隨著離開坡面的距離的增加而呈先增加而后逐漸減小的趨勢(shì)；隨著基坑開挖時(shí)步的進(jìn)行，基坑頂面都有一定的沉降增量，坡頂呈現(xiàn)先隆起而后沉降的趨勢(shì)，并且沉降增量的最大值的位置有向外移動(dòng)的趨勢(shì)。

6.4預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)置在基坑的上部對(duì)邊坡水平位移的控制效果較好；并且邊坡水平位移隨著錨桿預(yù)加力的增大呈減小的趨勢(shì)；當(dāng)基坑開挖深度較大且變形較嚴(yán)格時(shí)，可設(shè)置多排預(yù)應(yīng)力錨桿，能有效的控制邊坡位移。

6.5超前微型樁使基坑坡頂?shù)淖畲笏轿灰坪妥畲蟪两盗慷加辛嗣黠@的減少。基坑開挖與支護(hù)過程中，超前微型樁維持了土體臨空面土體的臨時(shí)自穩(wěn)性，減少了邊坡土體的應(yīng)力釋放程度，控制了土體變形的進(jìn)一步發(fā)展。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2015）01-013-488

[作者簡(jiǎn)介] 高鳳懷（1976-），男， 籍貫：山東人，學(xué)歷：碩士，職稱：工程師，主要從事巖土工程勘察及巖土工程設(shè)計(jì)工作。endprint